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气凝胶的制作方法和过程

浏览:0 发布日期:2018-11-05

  1 气凝胶的制备过程

  气凝胶的制备通常采用两步法[4],第一步溶胶-凝胶过程,第二步干燥过程。

  2 溶胶-凝胶过程

  用含高化学活性组分的化合物作前驱体,前驱物与溶剂产生水解或醇解,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶,凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。因此更全面地看,此法应称为SSG法[6],即溶液-溶胶-凝胶法,其最基本的反应如下:

  (1) 溶剂化

  电离反应:能电离的前驱物金属盐的金属阳离子Mz+吸引水分子形成溶剂单元M(H2O)z+n (z为M离子的价数),为保持它的配位数而具有强烈的释放H+的趋势。

  M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+

  水解反应:非电离式分子的前驱物,如金属醇盐M(OR)n(n为金属M的 原子价,R代表烷基),与水反应:

  M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROHM(OH)n

  反应可延续进行,直至生成M(OH)n。

  (2)缩聚反应

  失水缩聚:-M-OH+HO-M- = -M-O-M-+H2O

  失醇缩聚:-M-OR+HO-M- = -M-O-M-+ROH

  3 干燥过程

  前驱体经过Sol-gel过程后获得凝胶,凝胶由富有弹性的固体网络和网络中的液相溶剂组成,凝胶中存在纳米结构微孔。干燥初期,足够多的液相填充于凝胶孔中,凝胶体积的减少与液体蒸发的体积相等,无毛细管力[6]。当凝胶体积减少量小于液体蒸发体积时,液体蒸发使固相暴露出来,固/液界面被能量更高的固/气界面所取代,为阻止体系能量增加,孔内液体将向外流动覆盖固/气界面[7]。此时液相在凝胶孔中形成弯月面,由于液体表面张力的作用,产生了毛细管压力。毛细管力作用于凝胶微孔的孔壁上,这样将会导致大量凝胶网络结构的坍塌[8]。因此要想得到气凝胶,就必须在保持原有凝胶网络结构的情况下,将网络中的溶剂排除。为了解决这一难题,近年相继发展出了超临界干燥,冷冻干燥,常温常压干燥和传导干燥等技术。

  3.1 超临界干燥

  在气凝胶制备中,超临界干燥是最常用的干燥方法。所谓的临界状态指的是一种气液共存的状态。每种物质都有其固有的临界温度Tc和临界压力Pc,在临界温度Tc以上时,不论加入多大压力都不能使气体液化;Pc是指在临界温度Tc下气体液化所需的压力。

  由于液体的表面张力与温度有如下关系:

  (γ为液体的表面张力;γ0为与分子间引力有关的液体特性常数;T为体系的温度;TC为临界温度;)所以根据公式,在临界条件下(T=TC),气液界面将消失,表面张力趋于零,这样凝胶微孔中就不存在毛细管附加压力了。因此超临界干燥,可以保持凝胶网络结构,防止纳米粒子的团聚和微孔结构的坍塌。

  实际中最常用的三种干燥介质是甲醇,乙醇和二氧化碳,但由于甲醇,乙醇易燃、易爆且临界条件较苛刻,故大规模制备时仍采用二氧化碳。

  装置的关键部分是温度和压力的控制器,根据干燥介质的临界参数,通过控温器和减压阀来调节超临界干燥中所需的温度和压力。

  3.2 冷冻干燥

  各种干燥方法的主要目的都是为消除或减小干燥过程中对内部网络结构的破坏力,尤其是毛细管力。超临界干燥通过在高温高压下产生的超临界流体来消除气/液界面,从而消除毛细管压力;而冷冻干燥恰恰相反,是在低温低压下将湿凝胶冻为固态,然后通过升华作用来干燥[10]。干燥过程中气/液界面转变为固/气界面,避免了微孔内弯月面的形成,从而消除毛细管力。因此冷冻干燥获得的干凝胶也叫冻凝胶。虽然冻凝胶也有很大的比表面积,但与超临界干燥技术制备的产品相比,仍有一定的差距,且孔容较小。凝胶冷冻的过程是固化相变的过程,通常会发生一定体积的变化,且有晶核形成和溶剂晶体长大的趋势,这也可能会对凝胶的网络结构产生破坏,并形成非常大的孔洞[11]。

  3.3 常温常压干燥

  常压常压干燥与其他干燥方法相比,所需设备简单,一旦工艺成熟,就能进行连续化和规模化生产。因此常温常压干燥是最有希翼大规模运用的一种干燥方法。

  通常,凝胶网络结构不可能非常均匀,凝胶内部的孔道有粗有细。这样,在同一块凝胶内,应力的不均衡往往会造成开裂或粉碎。非超临界干燥方法可以通过以下措施来实现:增强凝胶网络骨架的强度,改善凝胶中孔洞的均匀性,凝胶的表面修饰以及减小溶剂的表面张力等[13]。因此,通过添加低表面张力的

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